Plasma (fisika)

Plasma-lanpara ikus daiteke irudian.

Fisikan, plasma esaten zaio materiaren laugarren oinarrizko egoerari, egoera gaseosoaren antzekoa baita, baina gasean ez bezala plasmaren partikulak ionizatuta baitaude (hots, partikulak elektrikoki kargatuta daude) eta ez baitute oreka elektromagnetikorik; hori dela eta, plasma eroale elektriko ona da eta bere partikulek irismen luzeko elkarrekintza elektromagnetikoen eragina jasaten dute.

Plasmak gainerako egoeretan (solido, likido eta gas) agertzen ez diren ezaugarriak dauzka, eta honenbestez materiaren egoeratzat jotzen da. Gasak bezala, plasmak ez dauka forma edo bolumen jakinik, non eta ez dagoen edukiontzi batean itxita; baina gasak ez bezala, zeinak ez baitu efektu kolektibo garrantzitsurik, plasmak eremu magnetikoaren eraginpean hainbat egitura berezi sortzen ditu, hala nola harizpiak, izpiak edota gainazal bikoitzak.

Gas bat asko berotzeak bere molekula eta atomoak ioniza ditzake, eta horrela plasma sortu. Egoera honetan atomoak aske mugitzen dira; zenbat eta handiagoa izan tenperatura, orduan eta arinago mugitzen dira, eta elkarrekin talka egitean elektroien erauzketa gertatzen da. Elektroi erauzketa horrek ematen dio plasmari bere distira bereizgarria. Laser edo mikrouhin bidezko intentsitate handiko eremu elektromagnetiko baten pean materia ionizatu daiteke, molekuletako loturak disoziatuz. Gas bati eremu elektriko bat ezartzean ere plasma lor daiteke.

Plasma, bestelakorik eman badezake ere, naturan ohikoena den egoera da (izarretan eta galaxiarteko plasman ageri da, esaterako), eta Unibertso ikusgaiaren materiaren zati handiena hartzen du.

Tximistak 27.000 °C-ko tenperaturara heltzen den plasma dira

Eguzkia da plasmaren adibide argia.

Historia

Plasma hitza antzinako grezierako 'substantzia moldagarria' edo 'gelatina' esan nahi duen πλάσμα​ hitzetik dator. Plasma Crookes-hodi batean identifikatu zen lehenengo aldiz, eta Sir William Crookesek "materia distiratsu" moduan deskribatu zuen 1897. urtean. Urte horretan, Sir J.J. Thomson fisikari britaniarrak plasmaren izaera identifikatu zuen.

Plasma terminoa 1928. urtean aurkeztu zuen Irving Langmuirek ionizatutako gasa deskribatzeko. 1920ko hamarkadan, plasmarekin lan egin zuten Lewi Tonks eta Harold Mott-Smithek. Mott-Smithek esan zuen Langmuiri filamentu termionikoetatik igarotzen zen elektroien garraioak odol-plasmak gorpuzkulu gorriak, zuriak eta germenak garraiatzeko zuen modua gogorarazi ziotela . Horregatik aukeratu zuen plasma terminoa ionizaturiko gasak izendatzeko.

Langmuirek aztertutako plasma honako modu honetan deskribatu zuen:

"Elektrodoetatik hurbil izan ezik, non elektroi oso gutxi dauden, ionizatutako gasak dituen ioi eta elektroi kopuruak parekoak izatearen ondorioz, espazio-karga erresultantea oso txikia da. Plasma hitza elektroien eta ioien karga orekatuak dituen zonalde hori definitzeko erabiliko da".

Plasmaren ezaugarriak

Plasmaren jokabidea deskribatzen duten ezaugarri eta parametroak definitzea da plasmaren fisikaren lehen zeregina, izan ere, ingurune eta karakteristika oso ezberdinetako plasmak existitzen dira. Hauek dira ezaugarri eta parametro nagusieak:

Plasma motak

Plasma positiboki zein negatiboki kargaturiko partikulez osatua dago. Partikula horiek kantitate berdinean ageri direnez, sistemaren karga osoa nulua da. Kasu horretan, plasma neutroa edo ia neutroa deritzo. Plasma ez-neutro edo ezegonkorrak ere badira, partikula-azeleragailuetan erabiltzen den elektroi-fluxua, adibidez, plasma ez-neutroa da. Hala ere, nahiz eta plasma neutro batekin lan egin, kanpo-ingurunearekiko isolamendua beharrezkoa da aldaratze-indar elektrostatikoei aurre egiteko.

Neonezko argiek argia sortzen dute plasma egoeran dagoen neoiari esker.

Plasma ohikoenak elektroi eta ioiez osaturikoak dira. Orokorrean, ioi mota ugari aurkitu daitezke plasma barruan, positiboki ionizaturiko molekulak (katioiak) edota negatiboki ionizaturiko molekulak (anioiak), esaterako.

Debyeren luzera

Debyeren luzerak partikula kargatu batek plasma barruko eremu elektrostatikoak pantailaratzeko duen ahalmena deskribatzen du; hau da, partikula horrek kanpo eremu elektrostatiko baten indarra murrizteko ahalmena neurtzen duen magnitudea da. Plasmaren kasuan, partikula kargatu horiek ionizaturiko partikulak dira.

Partikula kargatu batek bere potentzial elektrikoaren bidez egiten dio kanpo eremu elektrostatiko bati aurre. Potentzial elektriko hori infinitua da partikularen zentroan, eta txikitzen doa partikulatik urrundu ahala. Beste era batera esanda, partikularen potentziala zentroaren inguruan indartsuagoa da urruneko puntu batean baino, eta beraz, kanpo eremu elektrikoa geroz eta bortitzagoa izan, pantailaratze efektu hori partikulatik geroz eta distantzia txikiagora gertatuko da.

Espazioan aurki daitezkeen plasmek elektroi dentsitate baxua dute; horrek Debyeren luzera makroskopikoa izatea eragiten du. Magnetosferan, adibidez, Debyeren luzera 100 m ingurukoa da. Eguzkiaren barnean, ordea, elektroi dentsitatea oso altua denez, eguzki-plasmaren Debyeren luzera $10^{-11}$ m ingurukoa da.

Plasmaren maiztasuna

Plasmaren maiztasunak ($w_{p}$) plasmaren barneko ionizaturiko partikulen jokaera deskribatzen du. Demagun orekan dagoen plasman (karga-dentsitaterik gabekoan) elektroi guztiak norabide berean desplazatzen direla. Elektroiek ioienganako erakarpena sentituko lukete eginiko desplazamenduaren aurkako noranzkoan,  eta ioienganantz mugituko lirateke. Modu horretan, elektroiak jatorriko oreka-posizioaren inguruan oszilatzen hasiko lirateke. Plasmaren maiztasuna oszilazio horren maiztasuna da. Adibidez, elektroien plasma-maiztasuna honako hau da:

$w_{pe}=({\frac {n_{e}e^{2}}{m_{e}\varepsilon _{0}}})^{\frac {1}{2}}$

non $m_{e}$ elektroiaren masa. $e$ elektroiaren karga, $n_{e}$ elektroi dentsitatea eta $\varepsilon _{0}$ hutseko permitibitatea diren.

Tenperatura eta abiadura termikoa

Espazioaren zonalde batean lokalizaturiko mota bereko partikulek ez dute orokorrean abiadura berdina izaten: oreka termikoan Maxwell-Boltzmann distribuzioa betetzen dute. Geroz eta tenperatura altuagoa izan, abiadurak orduan eta dispertsio gehiago pairatuko du (hori irudikatzen duen Maxwell-Boltzmann distribuzio-kurba orduan eta zabalagoa izango da).

Dispertsio hori ezaugarritzeko, bataz besteko abiadura koadratikoa erabiltzen da, sistema orekan dagoenean abiadura termiko deritzona. Abiadura koadratikoak plasman dauden partikulen bataz besteko abiadura adierazten du. Adibidez, elektroien abiadura koadratikoa honako hau da:

$v_{Te}=({\frac {kT_{e}}{m_{e}}})^{\frac {1}{2}}$

non $k$ Boltzmanenn konstantea den, $m_{e}$ elektroiaren masa, eta $T_{e}$ tenperatura den.

Plasmaren parametroa

Plasmaren parametroak ($\Gamma$) Debyeren luzerako erradioa duen esfera baten barnean (Debyeren esfera izenekoa) dagoen partikula-kopuruaren batezbestekoa adierazten du. Plasman honako hau gertatzen da: partikula baten eta horren urruneko partikulen arteko elkarrekintza elektromagnetikoa nagusia izango da partikula hori eta gertuen dituen partikulen arteko elkarrekintza elektromagnetikoarekin alderatuz. Hori plasmaren parametroaren bidez deskriba daiteke honako moduan: $\Gamma$>>1 . Hau da, Debyeren esfera barruan partikula kopuru handia dago. Ezberdintasun horri plasmaren baldintza deritzo.

Autore batzuk plasmaren parametroaren alderantzizko definizioa erabiltzen dute (g=1/$\Gamma$) , horrekin plasmaren baldintza g<<1 delarik.

Elektroien plasmaren parametroa hau dugu:

$\Gamma ={\frac {4\pi }{3}}n_{e}e\lambda ^{3}$

non $n_{e}$ elektroi-dentsitatea den, $e$ elektroiaren karga den eta $\lambda$ Debyeren luzera den.

Eredu teorikoak

Behin plasmaren ezaugarriak ezagututa, plasma-fenomenoak azaltzeko eredu egokiena hautatu behar da.

Ereduen arteko desberdintasunak sistema bat deskribatzeko duten zehaztasunean oinarritzen dira; horrela, hierarkia bat ezarri daiteke, zeinetan goi-mailako deskribapenak behe-mailako deskribapenetatik ondorioztatzen diren. Eredu sinpleenetan hurbilketak egiten dira, eta horiek ez datoz errealitatearekin guztiz bat, baina eredu konplexuagoetan jorratzeko zailak diren fenomenoak ulertzea ahalbidetzen dute.

Jakina, partikula mota guztiak ez dira era berean deskribatuko: esaterako, ioiak elektroiak baino askoz astunagoak direnez, azken horien dinamika ioiak geldi daudela suposatuz aztertu ohi da. Ioien kasuan, horien mugimendua aztertzeko elektroiek askoz azkarrago erreakzionatzen dutela, eta ondorioz, beti oreka termikoan daudela, onartzen da.

Plasmaren ereduak Maxwellen ekuazioekin lortzen dira. Maxwellen ekuazioek sistemaren kargak eta korronteak eremu elektromagnetikoekin erlazionatzen dituzte. Ekuazio horien eta plasmaren ereduen arteko lotura irismen luzeko indar elektromagnetikoak nagusiak direlako ematen da.

Plasmaren fisikan, oinarrizko eredu erabilienak hauek dira (mikroskopikoetatik makroskopikoetara zerrendatuta): eredu diskretuak, eredu zinetiko jarraituak eta fluidoen ereduak edo eredu hidrodinamikoak.

Eredu diskretua

Plasmaren modelizazioaren zati garrantzitsuena partikula bakoitzaren dinamika Newtonen bigarren legearen arabera deskribatzea izango da.  Hori zehaztasunez egiteko, $N$ partikulaz osatutako sisteman, $N^{2}$ ordenako iterazio kopurua kalkulatuko da. Horrek ordenagailu aurreratuenen kalkulu-kapazitatea gainditzen du normalean.

Hala ere, plasmaren talde-izaerari esker, kalkulua errazten duen sinplifikazioa egin daiteke. Sinplifikazio hori Particle-In-Cell (PIC edo partikula-gelaxkan) izeneko eredu matematikoek erabiltzen dutena da. Lehenik, sistemaren bolumena gelaxka txikietan banatzen da . Ondoren, eboluzioaren une bakoitzean gelaxka barneko partikula kopurua eta gelaxkaren batezbesteko abiadura kalkulatzen dira, eta horrekin karga- eta korronte-dentsitateak lortzen dira. Horiek Maxwellen ekuazioetan ordezkatuz, eremu elektromagnetikoak kalkula daitezke. Azkenik, eremu elektromagnetikoek partikula bakoitzari eraginiko indarra kalkulatuko da, eta horien posizioa eguneratu. Prozesua behar beste aldiz errepikatuko da.

PIC ereduak tenperatura altuko plasmaren azterketan oso erabiliak dira. Eredu horietan, abiadura termikoa sistemaren abiadura karakteristikoekin alderagarria da.

Eredu zinetiko jarraitua

Plasmaren partikula-dentsitatea handia denean, partikula horien banaketa batez besteko banaketa-funtzio batera murriztea gomendatzen da. Horrek fase-espazioaren eskualde infinitesimal bateko partikula-dentsitatea irudikatzen du. Aipatu berri dugun banaketa-funtzioaren denbora bilakaera ondorioztatzen duen ekuazioa Boltzmannen ekuazioa izango da. Talkak arbuiagarriak direneko kasu partikularrean, Boltzmannen ekuazioa Vlasoven ekuaziora laburtzen da, Anatoly Vlasovek frogatu zuen hori.

Eredu fisiko zinetikoak partikula-dentsitatea eredu diskretuetarako handiegia denean erabiltzen dira. Horretaz gain, modelo zinetikoa plasma beroen azterketa analitikoaren oinarria da.

Fluidoen eredua edo eredu hidrodinamikoa

Tenperatura baxuko plasmetan, plasmaren abiadura termikoa baino abiadura handiagoak dituzten prozesuak aztertzen ditugunean, eredua sinplifikatu daiteke. Mota bereko partikula guztiek puntu jakin batean abiadura bera dutela, edo orekatik hurbil daudela onartuko da. Orekatik hurbil egonda, horien abiadurek Maxwell-Boltzmannen banaketa jarraituko dute eta horien bataz besteko abiadura posizioaren araberakoa izango da..

Plasma mota bakoitzarentzat fluido-ekuazio bana deriba daiteke, ekuazio horiei Navier-Stokes ekuazioak deritze. Zoritxarrez, kasu askotan ekuazio horiek erabiltzeko konplexuegiak dira, eta sinplifikazio gehigarriak erabili behar dira.

Aplikazioak

• Quark-gluoien plasma: materiaren egoera bat da, non quarkak eta gluoiak ez dauden partikuletan konfinatuta, libre baizik.
• Plasma astrofisikoa:  galaxietatik, izarretatik eta planetetatik kanpoko espazioaren ehuneko handia betetzen duen materia.
• Fusio-plasma: plasma mota hori laserrekin sortzen da konfinamendu inertzialaren bidez.
• Plasma-lanpara: plasmaren distira erabiltzen duen lanpara.
• Plasmazko pantaila: pantaila laua da, zeinaren argia plasmazko pultsu elektriko batek kitzikatutako fosforoz sortzen den.
• Plasma-zuzia: plasma sortzeko hainbat aplikaziotan erabiltzen den metodoa (kimikan, hondakinen tratamenduan, etab.).

• Laser plasmaren azelerazioa: elektroi-sortak ekoizteko metodoa.

Kanpo estekak

• Datuak: Q10251
• Multimedia: Plasma physics / Q10251